Phương pháp chế tạo vật liệu Fe2O3nano

Vật liệu nano Fe2O3 vô định hình được chế tạo bằng phương pháp sử dụng sóng vi ba với những ưu điểm như: thời gian chế tạo ngắn, phương pháp và thiết bị chế tạo đơn giản, kích thước hạt nhỏ với độ tinh khiết cao.

Tiền chất ở đây là FeCl3, cụ thể là FeCl3.6H2O. Lấy 0,406 g FeCl3.6H2O, 1,5 g Polyethylene glycol (PEG) và 9 g Urea cho vào trong cốc 250 ml, đổ vào cốc 150 ml nước cất hai lần. Sau đó cho vào máy khuấy từ trong 15 phút để các chất tan hết rồi cho vào bình cầu dung tích 250 ml và lắp vào hệ vi sóng. Đặt lò vi sóng ở chế độ 750 W trong 15 phút. Bật nước cung cấp cho hệ sinh hàn trong suốt thời gian chiếu sóng vi ba. Sau 15 phút, lấy dung dịch ra và để nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Lúc này trong dung dịch đã chứa hạt nano oxit sắt vô định hình. Cho dung dịch vào các ống rồi đặt vào máy quay li tâm với tốc độ 3000 vòng/phút trong thời gian 15 phút. Li tâm lần 1 xong, đổ hết dung dịch trong suốt bên trên rồi cho nước cất 2 lần vào, sử dụng máy rung siêu âm để đánh tan phần lắng tụ bên dưới. Sau đó, tiếp tục cho vào ống và quay li tâm với tốc độ và thời gian như trên. Cứ làm như vậy 2 lần. Sau đó lại tăng tốc độ lên 4000 vòng/phút trong 2 lần tiếp theo. Cuối cùng tăng lên 6000 vòng/phút trong 2 lần tiếp theo. Sau đó cho một lượng nước cất vào, rồi đánh tan phần lắng tụ bằng máy rung siêu âm. Để có đủ lượng oxit sắt để tiến hành khảo sát ứng dụng lọc Asen trong nước cất ta tiến hành làm nhiều lần như trên.

Quy trình chế tạo mẫu

Hình 10. Sơ đồ quy trình chế tạo hạt nano oxit sắt vô định hình

0.406 g FeCl3.6H2O 1.5 g PEG 9 g Urea

150 ml dung dịch Chiếu sóng vi ba

Li tâm Sấy khô

Định lượng Fe2O3 nano: đem cốc khô, sạch đi cân và ghi lại kết quả. Sau đó cho 10ml dung dịch chứa oxit sắt vô định hình vào cốc, đem sấy khô ở 45oC. Khi vật liệu đã khô hoàn toàn, đem cốc đó đi cân và ghi lại kết quả khối lượng cân được. Lấy khối lượng cân sau trừ đi khối lượng cân trước ta được khối lượng oxit sắt cần định lượng, từ đó suy ra nồng độ của hạt Fe2O3 nano trong dung dịch.

Khảo sát các đặc điểm, tính chất của vật liệu Fe2O3 nano

Đặc điểm, tính chất của vật liệu Fe2O3 nano được khảo sát bằng :

Nhiễu xạ kế X-ray Burker của Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) của Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của khoa Địa chất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Điện tích bề mặt được xác định bằng máy MṻteleTM PCD – 05 tại Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường Đất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Tiến hành đo điện tích:

Chuẩn bị 7 ống nghiệm, cân và cho vào mỗi ống nghiệm 15mg vật liệu Fe2O3, cho tiếp vào 15ml nước cất, đánh đều bằng máy rung siêu âm rồi tiến hành đo bằng máy. Trong quá trình đo, mỗi ống nghiệm chuẩn về các pH khác nhau từ 3 – 9.

2.3.4. Phương pháp bố trí thí nghiê ̣m

2.3.4.1. Hóa chất và thiết bị

Hóa chất

Các hóa chất để chế tạo vật liệu Fe2O3 gồm: - Muối FeCl3.6H2O

- PEG ( polyethylene glycol ) 2000 - Urea

Nước cất tinh khiết thu được từ thiết bị tinh chế nước Barnstead NANOpuređ, được sử dụng để pha các chất, dung dịch phản ứng và dùng trong các hoạt động thí nghiệm.

Dung dịch Asen V được pha từ muối Na2HAsO4.7H2O. Xác định lại nồng độ As(V) này bằng phương pháp phân tích AAS và coi là nồng độ gốc. Từ dung dịch này ta pha thành các dung dịch có nồng độ khác nhau tuỳ theo yêu cầu của từng thí nghiệm.

Các dung dịch NaOH có nồng độ 0.01, 0.05, 0.1 (M), dung dịch HCl có nồng độ 0.01, 0.05, 0.1 (M), được sử dụng để chỉnh pH của dung dịch phản ứng. Các công cụ thí nghiệm khác như: Bình định mức các cỡ, cốc thuỷ tinh các cỡ, pipet các cỡ, phễu lọc các cỡ, máy khuấy từ, con từ các cỡ, quả bóp, giấy lọc 0,45 µm, lọ đựng mẫu, các bình nhựa trong suốt nuôi dương xỉ...

Thiết bị

- Máy khuấy từ điều chỉnh được tốc độ và nhiệt độ - Máy đo pH .

- Máy quay ly tâm.

- Lò vi sóng thương mại (Sanyo 1200 W, Model EM-D9553N). - Máy rung siêu âm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

- Máy lắc - Cân - Tủ sấy

2.3.4.2. Thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu Fe2O3 nano

Mục đích thí nghiệm:

Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại của vật liệu Fe2O3 nano bằng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị 5 bình tam giác dung tích 150ml, cho vào 50ml dung dịch Asen(V) có nồng độ khác nhau và thêm 1ml dung dịch chất hấp phụ (Fe2O3

nano) có nồng độ 500mg/l. Cho vào máy lắc và lắc trong 2 ngày. Sau đó đặt vào máy ly tâm, tiến hành quay ly tâm với tốc độ 9000 vòng/ phút trong vòng 15 phút. Sau khi quay xong, lọc lấy phần dung dịch trong suốt bằng giấy lọc 0,45µm, rồi cho vào lọ sạch dán nhãn. Đem mẫu đã lọc xác định nồng độ Asen bằng máy AAS. Dung dịch trước khi hấp phụ cũng được đem đi đo để xác định nồng độ Asen ban đầu.

2.3.4.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ Asen của vật liệu Fe2O3 nano

Mục đích thí nghiệm:

Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả hấp phụ As của vật liệu Fe2O3 ở nhiệt độ 28±10C.

Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị 7 bình tam giác dung tích 150ml, cho vào lần lượt 50 ml các dung dịch Asen đã được điều chỉnh về các pH khác nhau bằng dung dịch NaOH hoặc HCl. Cho tiếp vào mỗi bình 1ml dung dịch chất hấp phụ (Fe2O3

2.3.4.4. Thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ Fe2O3/As đến hiệu quả xử lý Asen

Mục đích thí nghiệm:

Khảo sát và đánh giá tỷ lệ Fe2O3/As ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả hấp phụ As của Fe2O3 nano và từ đó tìm ra tỷ lệ hợp lý để có thể ứng dụng trong xử lý môi trường, ở pH=6,89 và nhiệt độ 28±10

Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị 8 bình tam giác dung tích 150ml, cho vào lần lượt 50ml dung dịch Asen có nồng độ M0. Sau đó thêm vào lần lượt 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3;

3,5; 4; 5ml dung dịch hấp phụ Fe2O3 có nồng độ 500mg/l. Cho vào máy lắc và lắc trong 2 ngày. Sau đó đặt vào máy ly tâm, tiến hành quay ly tâm với tốc độ 9000 vòng/ phút trong vòng 15 phút. Sau khi quay xong, lọc lấy phần dung dịch trong suốt bằng giấy lọc 0,45µm, rồi cho vào lọ sạch dán nhãn. Đem mẫu đã lọc xác định nồng độ Asen bằng máy AAS.

2.3.4.5. Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Asen của vật liệu Fe2O3 nano

Mục đích thí nghiệm:

Đánh giá tốc độ hấp phụ As của Fe2O3 nano với tỷ lệ Fe2O3/As thích hợp có được từ thí nghiệm 2.3.6.3 trong môi trường pH=6,98; nhiệt độ 28±10

Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị 1 bình tam giác dung tích 1L, cho vào đó 250ml dung dịch Asen có nồng độ M0. Sau đó thêm vào 10ml dung dịch hấp phụ Fe2O3 có nồng độ 500mg/l. Sau thời gian hấp phụ 5phút, 10 phút, 15 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút, 75 phút, 90 phút, ta cho vào ống ly tâm và tiến hành quay ly tâm với tốc độ 9000 vòng/ phút trong vòng 15 phút. Sau khi quay xong, lọc lấy phần dung dịch trong suốt bằng giấy lọc 0,45µm, rồi cho vào lọ sạch dán nhãn. Đem mẫu đã lọc xác định nồng độ Asen bằng máy AAS.

2.3.4.6. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Asen ban đầu đến hiệu quả xử lý của vật liệu

Mục đích thí nghiệm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Đánh giá được khoảng nồng độ Asen trong nước mà vật liệu hấp phụ tốt nhất

Tiến hành thí nghiệm

Chuẩn bị 6 bình tam giác 100ml, cho vào mỗi bình 50 ml dung dịch mẫu gây nhiễm với 6 mức nồng độ khác nhau, cho vào mỗi bình trên 1ml dung dịch Fe2O3 nano với nồng độ 500 mg/l, đưa vào lắc trong vòng 2h, ly tâm, lọc lấy phần dung dịch trongsuốt, lấy mỗi bình ra khoảng 10ml dán nhãn đưa phân tích hàm lượng Asen bằng AAS.

2.3.4.7. Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý Asen trong mẫu nước lấy ngoài thực địa bằng vật liệu Fe2O3 nano.

Mục đích thí nghiệm:

Đánh giá hiệu quả xử lý Asen trong nước thực địa bằng vật liệu, trong môi trường phòng thí nghiê ̣m, nhiệt độ 28±10

Tiến hành thí nghiệm:

Lấy 50ml mẫu nước thực địa vào bình tam giác 100ml, cho vào 5ml Fe2O3nano nồng độ 500 mg/l, cho vào máy lắc trong vòng 5h, sau đó ly tâm, lọc lấy phần dung dịch trong suốt bằng giấy lọc, rồi cho vào lọ sạch dán nhãn. Đem mẫu nước thực địa và mẫu đã lọc xác định nồng nộ Asen bằng máy AAS.

Hình 11: Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý asen trong mẫu thực địa bằng vật liê ̣u Fe2O3 nano.

2.3.5. Phương phá p xử lý Asen trong nước bằng cây Ráng Chân xỉ

3.3.5.1. Phương phá p nuôi cấy Asen trong nước qui mô phòng thí nghiê ̣m

Tiến hành: lấy cây ráng chân xỉ ngoài thực địa, chọn những cây khỏe,

nhiều rễ, cắt phần lá và thân, nuôi trong chậu nước (không bổ sung dinh dưỡng)

3.3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý Asen trong nước của cây Ráng chân xỉ

Mục đích thí nghiệm

Khảo sát đánh giá tốc độ hấp thụ Asen trong nước theo thời gian, trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ 28±10

Tiến hành: Lấy 500ml dung dịch gốc đã gây nhiễm Asen vào bình 1l

đã chuẩn bị, tiến hành nuôi (3-4 cây) Ráng Chân Xỉ trong bình 1 lít. Sau đó đưa bình vào máy lắc khảo sát đồng thời yếu tố thời gian ở các mức 24h 48h 72h 96h 120h. Các mức thời gian trên ta tiến hành rút mỗi mức trong các bình tương ứng ra 20ml dung dịch, lấy cả đối với mẫu thật ngoài thực địa và trong bình dán nhãn đưa phân tích hàm lượng Asen bằng máy AAS.

3.3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Asen đến hiệu quả xử lý Asen của cây Ráng Chân Xỉ

Mục đích thí nghiệm:

Đánh giá hiê ̣u quả xử lý Asen trong nước của cây Ráng Chân Xỉ với các nồng độ Asen ban đầu khác nhau, trong môi trường nước gây nhiễm nhân tạo, Ph=7, nhiệt độ 28±10

Tiến hành: chuẩn bị 4 bình dung tích 1 lít rử a sa ̣ch bằng nước cất , cho vào lần lượt các bình 500, 300, 200, 100 ml dung dịch Asen pha sẵn định mức các bình tới 500ml. Dung pipet lấy ra mỗi bình trên 10ml để phân tích hàm lượng Asen ban đầu. Sau đó tiến hành trồng vào mỗi bình từ 3 đến 4 cây Ráng chân xỉ đã chuẩn bị sẵn. sau đó cho các bình lên máy lắc trong 2 ngày, rồi lấy trong mỗi bình ra 10ml lọc qua giấy lọc rồi phân tích hàm lượng Asen.

3.3.5.4. Khảo sát hiệu quả xử lý Asen trong nước bằng cây Ráng chân xỉ đối với mẫu thực địa.

Mục đích thí nghiệm

Đánh giá hiê ̣u quả xử lý Asen của cây Ráng Chân Xỉ với mẫu nước thực đi ̣a, trong phòng thí nghiê ̣m với nhiệt độ 28±10 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Tiến hành:Lấy 500ml dung dịch gốc vào bình 1l đã chuẩn bị, tiến hành

nuôi (3 cây) Ráng chân xỉ trong bình 1 lít. Sau đó đưa bình vào máy lắc. Sau 5 ngày tiến hành rút trong bình này ra 20ml dung dịch, lấy cả đối với mẫu thật ngoài thực địa ban đầu và trong bình dán nhãn đưa phân tích hàm lượng Asen bằng máy AAS.

CHƢƠNG 3:

KẾT QUẢ NGHIÊN CƢ́U VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả nghiên cƣ́u vâ ̣t liê ̣u

3.1.1. Kết quả chụp Xray để xác định thành phần vật liệu

Chuẩn bị mẫu: dung dịch Fe2O3 nano sau khi được chế tạo sẽ được sấy khô ở 45 độ C được chụp XRay tại trung tâm khoa học vật liệu.

Kết quả:

Cấu trúc hạt nano Fe2O3 được phân tích bằng nhiễu xạ kế X-ray Bruker D5005 của Trung Tâm Khoa Học Vật Liệu, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên có bước sóng 1,54056 Ao

. Kết quả nhiễu xạ tia X:

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Fe2O3 nano

04-0755 (D) - Maghemite, syn - Fe2O3 - Y: 50.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

File: Duc-Moitruong-Fe2O3 nano.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 ° C (Room) - Anode: Cu - Creation: 03/13/14 10:24:27

L in ( C p s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2-T heta - Scale 10 20 30 40 50 60 70

Hình 12: Giản đồ XRD của vật liệu nano Fe2O3 vô định hình.

Trên giản đồ nhiễu xạ ta thấy được mẫu vật liệu không có đỉnh đặc trưng nào, chứng tỏ nó tồn tại ở dạng vô định hình.

Vật liệu vô định hình là vật liệu có các nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự không theo một quy tắc nào, nhưng về mặt thực chất, nó vẫn mang tính trật tự nhưng trong phạm vi rất hẹp, gọi là trật tự gần (Chất rắn có

trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử gọi là chất rắn tinh thể). Ớ trạng thái vô định hình những nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao bọc một cách ngẫu nhiên nhưng xếp chặt xung quanh nó. Cách sắp xếp như vậy tạo ra trật tự gần. Vật rắn vô định hình được mô tả giống như những quả cầu cứng xếp chặt trong túi cao su bó chặt một cách ngẫu nhiên tạo nên trật tự gần (Theo mô hình quả cầu rắn xếp chặt của Berna và Scot). Vì vậy mà vật liệu vô định hình có kích thước nhỏ, linh động hơn và có diện tích bề mặt lớn hơn vật liệu kết tinh.

Sự hình thành các hạt nano oxit sắt vô định hình trong quá trình phản ứng diễn ra như sau: Đầu tiên, Fe3+

hydrat hóa có thể kết hợp với phần tử nước hoặc ionOH-

để tạo ra chuỗi hidroxit Fe(H2O)x(OH-)y(3-y)+. Chuỗi hydroxitnày được dùng làm tiền chất cho sắt (III) oxit. Nước trong dung dịch với tư cách là phân tử phân cực có xu hướng nhận proton từ hidroxit theo phương trình phản ứng như sau [16]:

Fe(H2O)x(OH-)y(3-y)+ + H2O = Fe2O3.n(H2O) + H3O+

1. Vi sóng sẽ làm cho quá trình gia nhiệt nhanh và đồng đều, kích thích đồng thời nhiều mầm oxit sắt hơn các phương pháp gia nhiệt thông thường. Việc gia nhiệt nhanh và đồng đều tạo nên các hạt nhỏ có kích cỡ và hình dạng tương tự nhau. Thêm vào đó, chất phân tán Polyethylenglycol có thể ngăn cản sự kết tủa không đồng đều trong quá trình phản ứng. Độ pH của dung dịch được điều chỉnh bởi sự thủy phân Urea, thuận lợi cho phản ứng thủy phân Fe3+ [16].

3.1.2. Kết quả Chụp TEM và chụp SEM để xác định hình dạng kích thước vật liệu vật liệu

Hình dạng của vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JME-1200EX của khoa Địa Chất, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên và kính hiển vi điện tử quét (SEM) của Trung Tâm Khoa Học Vật Liệu.

Hình 13: Ảnh TEM của vật liệu Fe2O3 nano vô định hình có độ phóng đại 50nm.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Phương pháp chế tạo vật liệu Fe2O3nano

Mục lục